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类地行星又添“七胞胎”

时间:2017年03月03日 信息来源:《中国科学报》 点击: 【字体:

美国国家航空航天局(NASA)2月22日宣布,科学家们在距离地球约40光年外的一颗恒星周围发现了7颗地球大小的行星,其中,3颗行星中可能会存在液态水,甚至生命。那么,这一重大发现究竟意味着什么?


■本报记者 袁一雪


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此次发现的宜居系统与太阳系统的对比图。


在此次发现之前,天文学家已经发现了5000余颗系外行星和30余个宜居系统,但是每个宜居的系统中通常只存在一个宜居行星,而且类地的行星也只有少数几颗。此次,科学家们则在一个类地系统中发现了3个宜居行星,实属难得。NASA更是在社交网站上发帖说:“我们发现围绕一颗低温小恒星运转着7颗岩态行星,它们与地球大小相似,均可能包含液态水——这些都是我们已知的生命存在的要素。”


可否与太阳系画等号


在此次发现的系统中,母恒星被命名为TRAPPIST(特拉比斯特)。这一名字源自一个叫做“TRAnsiting Planets and Planetesimals Small Telescope-South”(TRAPPIST;行星和星子凌星的小望远镜系统)的望远镜项目。中国科学院国家天文台研究员苟利军解释说,该项目利用了位于智利拉息拉天文台(La Silla observatory)60厘米的望远镜。


虽然在TRAPPIST-1系统中,7颗行星围绕母恒星TRAPPIST旋转,与太阳系中恒星与行星的关系类似,但这也并不能说明TRAPPIST-1系统与太阳系可以完全画等号。苟利军在接受《中国科学报》记者采访时表示,TRAPPIST-1系统与太阳系并非一个概念。首先,TRAPPIST年龄只有5亿年,比太阳小45亿岁;其次,它的直径也只有太阳的1/10;第三,它的表面温度很低,大约为2559K(开尔文),太阳的表面温度则能达到5770K。


因为表面温度有异,所以从天文学来看,TRAPPIST-1与太阳属于不同的恒星类型。“TRAPPIST-1恒星的质量约为太阳的1/12,是太阳系邻近的一颗超低温矮星。所谓的超低温矮星,是指有效温度低于2700 K的M型恒星或亚恒星。”中国科学院紫金山天文台研究员季江徽告诉《中国科学报》记者。


何为M型恒星呢?这里先普及一下恒星的分类。最早哈佛大学天文系的研究人员对恒星依据恒星光谱中的某些特征谱线和谱带以及它们相对应的强度,同时也考虑连续谱的能量分布将恒星进行划分。这套恒星分类方式被后人采纳并且沿用至今,称为哈佛系统分类法。这套分类法在一定程度上也反映了恒星的表面温度和亮度的变化。其中,最热的O型星温度约40000K,最冷的M型星表面温度约为3000K。按照划分规则,太阳在其中被划分为K型,TRAPPIST-1则属于M型。


可否“宜居”


虽然恒星的表面温度没有太阳高,但是TRAPPIST-1系统中的7颗行星并不都属于宜居行星。我们首先要明白的是,这里提到的“宜居”与“宜居城市”中的“宜居”二字相差甚远。前者是液态水存在,甚至生命有可能诞生的前提,而后者则是人类更好生活的追求。


那么,我们可以比较直观地判断一个地区是否适合人类更好地生存,但如何判断几十光年外的星球是否生物“宜居”之地呢?“判断行星系统的宜居带或者宜居程度的因素包括恒星的光谱型、有效温度、磁场活动,甚至与行星表面上的温室气体循环有关。另外,行星表面是否有液态水,行星上是否有大气等都是判断标准。”季江徽解释说。


“虽然TRAPPIST-1中心没有太阳那么亮,但如果距离中心恒星太近,还是有可能太热,所以也不太适于液态水存在。”苟利军说,“在TRAPPIST-1系统中的7颗行星中,估计有3颗行星处于可能的宜居带中,分别是1e、1f和1g。而且中间的1e行星与地球所接受的光线差不多。所以那个星球的白天有可能与我们在地球上的感受差不多。”


在之前科学家们发现的宜居系统中,往往只存在一个宜居行星,而其他围绕在此恒星系统的行星可能因为距离恒星较近或较远而超出了宜居的范围。但此次却同时发现了3颗宜居行星。


苟利军认为,通常发现和地球类似的系统本来就比较少,更何况同时发现多颗宜居行星的情况更是罕见,这一点在之前探寻到的宜居系统中几乎没有出现过。“比如2015年的比邻星,虽然也是一颗处于宜居带的行星,但是其直径与质量都比地球要多。”苟利军说,“周围行星对于所研究行星的引力摄动效应,会使所考虑行星的凌星时间发生变化。通过对凌星时间变化的细致观察,这次观测对7颗行星中的6颗的质量和半径都做出了精确测量,与地球非常接近。”


对于这个系统中存在3颗宜居系统的问题,季江徽解释说,一个原因可能是这个恒星的质量比较小,第二个可能性是这几个行星之间的轨道距离也比较接近。“因为几颗行星的公转轨道非常紧致,这让它们相互之间处于一种近链式轨道共振状态。”季江徽表示,“在TRAPPIST-1系统中被表明的c、d、f 这3颗行星表面反射其恒星辐射的情况和太阳系的金星、地球和火星反射太阳辐射的情况类似。”


“行星系统的宜居带与恒星的光谱型,有效温度,磁场活动甚至与行星表面上的温室气体循环有关,因此不同行星系统的宜居带不同,一般质量越小的恒星,其光度越低,宜居带越靠近恒星。”季江徽继续解释说。也正是因为此,决定了它们的公转时间更短。在NASA提供的一张示意图中不难看出,与TRAPPIST母恒星相距最远的行星1h的公转周期也仅约为20天,而与地球光照类似的行星1e,公转周期仅为6.1天。而距离母恒星最近的行星1b的公转周期甚至只有1.5天。“在天文学中我们用地球中心点到太阳中心点的距离定为一个天文单位(Astronomical Unit),英文缩写为AU。也就是说地球到太阳的距离为1AU,距离太阳最近的水星距离为0.387AU。而此次发现的7颗行星,距离母恒星的距离最远的为0.06AU,最近的仅为0.011AU。”苟利军告诉记者。


可否寻到外星生命


数十年来,天文学家们不断寻找地外生命的线索。他们对于外星生命的执着也源自对于生命起源的好奇,渴望从另外一个拥有类似环境的星球找到与人类相似的生命,进而在浩渺的宇宙中寻找到朋友。


但这个过程并不容易。“探测生命的过程很困难,最直接的方法莫过于直接跑到这颗星球上探索一番,但这样探索的代价极大,且并不现实,登陆火星的好奇号便是一个例子。”苟利军说,“目前人类寻找其他行星生命存在的前提都以人类的生存环境为模板,即拥有适宜的光照、水以及大气。”


但实际上,以人类生命生存的前提条件作为寻找外星人的前提条件是否正确,以及外星生命的存在形式与人类相似还是另有其法,都不得而知。“人类对于事物的认识在不断进步,就像科学家曾经认为深海火山附近环境恶劣,没有生物存活,现在证明这样的认知并不正确。地外生命的寻找可能会经历同样的过程。”苟利军认为。


接下来,天文学家们将会继续探索这些宜居行星上是否也存在大气,大气中能否探测到到氧或生命活动产生的气体特征,以及星球上到底有没有水。


明年,美国将向太空送入一架名为“詹姆斯·韦伯”的望远镜,它将在红外波段上对宇宙进行观测。或许未来,人类真的可以找到外星的朋友。


(作者:袁一雪)
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